基于光纤的通信装置、方法和计算机可读介质
阅读：568发布：2024-02-23
专利汇可以提供基于光纤的通信装置、方法和计算机可读介质专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据本 发明 的示例性 实施例 ，提供了一种装置，包括：双轨 编码器 (120)，其被配置为从 光源 接收光并输出双轨编码的光；组合器(130)，其被配置为将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；以及至少一个处理核心，其被配置为获得关于光纤(145)的补偿调整信息，并至少部分地基于所述补偿调整信息控制所述双轨编码器(120)。，下面是基于光纤的通信装置、方法和计算机可读介质专利的具体信息内容。
1.一种装置，包括：
双轨编码器，其被配置为从光源接收光并输出双轨编码的光，所述双轨编码器被配置为基于反馈信息以至少预补偿，所述反馈信息来自在所接收双轨编码的光中通过至少两个不同基础的量子位检测偏振旋转的接收器；
组合器，其被配置为将所述预补偿的双轨编码的光转换为偏振编码的光以用于传输；
以及
至少一个处理核心，其被配置为基于所述反馈信息获得关于光纤的补偿调整信息，并至少部分地基于所述补偿调整信息控制所述双轨编码器以预补偿所述偏振旋转。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个处理核心被配置为通过使得所述装置执行以下而获得所述补偿调整信息：通过光纤发送第一偏振编码的光，接收关于收到发送的第一偏振编码的光的反馈，以及比较所述反馈与关于第一偏振编码的光的信息。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述双轨编码器被配置为修改从所述光源接收的光的振幅和相位属性中的至少一个。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述双轨编码器包括至少一个移相器。
5.根据权利要求4所述的装置，其中通过应用电压和光信号中的至少一个能够配置所述至少一个移相器。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述双轨编码器包括至少一个耦合器。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述组合器包括基于光纤的偏振分束器。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置还包括衰减器，其被配置为将双轨编码的光、偏振编码的光和来自光源的光中的至少一个的强度减少到单光子状态。
9.一种装置，包括：
偏振旋转器，其被配置为至少将接收的偏振编码的光转换为双轨编码的光；
至少一个解码器，其被配置为通过至少两个不同基础的量子位测量在所述双轨编码的光中偏振旋转，所述偏振旋转发生在传输期间。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述至少一个解码器包括至少一个单光子检测器或一个光检测器。
11.根据权利要求9或10所述的装置，进一步包括至少一个处理核心，其被配置为通过比较至少一个解码器的第一输出与从第二装置接收的第一信息来获得补偿调整信息，所述第一信息特征化至少一个解码器测量以产生第一输出的光传输。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述补偿调整信息校正由光纤的双折射引起的扭曲。
13.一种方法，包括：
基于补偿调整信息，对从光源接收的光进行编码以产生双轨编码的光；
将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；
基于反馈信息获得关于光纤的所述补偿调整信息，所述反馈信息来自在所接收双轨编码的光中通过至少两个不同基础的量子位检测偏振旋转的接收器；以及至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码。
14.根据权利要求13所述的方法，其中获得所述补偿调整信息包括通过光纤发送第一偏振编码的光，接收关于收到发送的第一偏振编码的光的反馈，以及比较所述反馈与关于第一偏振编码的光的信息。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中编码包括修改从光源接收的光的振幅和相位属性中的至少一个。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其中编码包括使用至少一个移相器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使用至少一个移相器包括向至少一个移相器应用电压和光信号中的至少一个。
18.根据权利要求13或14所述的方法，其中转换包括使用基于光纤的偏振分束器。
19.根据权利要求13或14所述的方法，还包括将双轨编码的光、偏振编码的光和来自光源的光中的至少一个的强度减少到单光子状态。
20.一种方法，包括：
通过至少两个不同基础的量子位测量在双轨编码的光中的偏振旋转；
基于所测量的偏振旋转，获得关于光纤的补偿调整信息；以及
使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整所述双轨编码的光和至少一个检测器的输出中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的方法，其中测量包括使用至少一个检测器，所述至少一个检测器包括至少一个单光子检测器或一个光检测器。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中通过比较测量的第一输出与从第二装置接收的第一信息来获得补偿调整信息，所述第一信息特征化被测量以产生第一输出的光的传输。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述补偿调整信息校正由光纤的双折射引起的扭曲。
24.一种装置，包括：
用于基于补偿调整信息对从光源接收的光进行编码以输出双轨编码的光的部件；
用于将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光的部件；
用于基于反馈信息获得关于光纤的补偿调整信息的部件，所述反馈信息来自在所接收双轨编码的光中通过至少两个不同基础的量子位检测偏振旋转的接收器；以及用于至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码的部件。
25.一种装置，包括：
用于通过至少两个不同基础的量子位测量在双轨编码的光中的偏振旋转的部件；
用于基于所测量的偏振旋转获得关于光纤的补偿调整信息的部件；以及用于使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整所述双轨编码的光和用于测量的部件的输出中的至少一个的部件。
26.一种存储有一组计算机可读指令的非瞬态计算机可读介质，当被至少一个处理器执行时，所述指令使得装置至少：
基于补偿调整信息，对从光源接收的光进行编码以输出双轨编码的光；
将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；
基于反馈信息获得关于光纤的补偿调整信息，所述反馈信息来自在所接收双轨编码的光中通过至少两个不同基础的量子位检测偏振旋转的接收器；以及
至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码。
27.一种存储有一组计算机可读指令的非瞬态计算机可读介质，当被至少一个处理器执行时，所述指令使得装置至少：
通过至少两个不同基础的量子位测量在双轨编码的光中的偏振旋转；
基于所测量的偏振旋转，获得关于光纤的补偿调整信息；以及
使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整所述双轨编码的光和至少一个检测器的输出中的至少一个。
基于光纤的通信装置、方法和计算机可读介质
技术领域
[0001] 本发明属于基于光纤的通信的领域，例如偏分多路复用或量子密钥分配。
背景技术
[0002] 可以以多种方式保护信息。本质上机密的信息例如可以包括金融、医疗、企业、政治或个人信息。
[0003] 可以在安全的前提下存储机密信息，通过将信息放置在锁定位置(例如，在办公室的保险箱内)来防止意外或恶意访问该信息。企业位置可以进一步地或替代地设置有报警系统、保护、防护和/或其他访问控制功能。
[0004] 机密信息可以存储于未连接到任意不安全网络的计算机中，以防止未授权网络侵入其中获得信息。这种计算机可以称作“空气壁”计算机(“air walled”computer)，因为它们没有到不安全的网络的连接。
[0005] 防止未授权访问机密信息的一种方式是加密，其中使用加密算法和密钥将明文(例如，自然语言(例如法语)的文本)转换为密文。加密算法被设计为使得非常难以在没有密钥的情况下根据密文获得明文。通常，密文可被称为加密信息。
[0006] 在量子通信(QC)中，两方可以交换在量子状态编码的信息。量子状态或量子位可以包括光子的专门定义的属性，例如成对的偏振状态(例如， 0°和90°)，或圆形基础状态(例如，惯用左手和管用右手)。通过量子通信，两方可以产生只有他们知道的位的共享随机序列，其随后可以用作消息的后续加密和解密中的密钥。第三方在理论上可以窃听到在两方之间的 QC。然而，这种窃听扰乱了QC，引入两个目的方可以检测的异常。两方可以后处理QC的结果以移除由窃听者获取到的任意部分信息，并根据从 QC获得的剩余信息形成共享密钥。
[0007] 截获并重新发送包含于量子通信中的光子的窃听者在重新编码并且朝向其原始目的地重新发送光子时只能猜到原始发送基础。接收者可以检测到窃听，因为对于发现匹配发送基础和测量基础的比特值的子集，奇偶值应该准确匹配，其中假设通信系统被很好地调谐并在发送和接收中没有缺陷。由窃听引入的比特值中的差异使得发送者和接收者能够检测到窃听并校正密钥。
发明内容
[0008] 根据本发明的第一方面，提供了一种装置，包括：双轨编码器，其被配置为从光源接收光并输出双轨编码的光；组合器，其被配置为将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；以及至少一个处理核心，其被配置为获得关于光纤的补偿调整信息，并至少部分地基于所述补偿调整信息控制所述双轨编码器。
[0009] 第一方面的各种实施例可以包括根据以下项目符号列表的至少一个特征：
[0010] ·至少一个处理核心被配置为通过使得所述装置执行以下而获得所述补偿调整信息：通过光纤发送第一偏振编码的光，接收关于收到发送的第一偏振编码的光的反馈，以及比较所述反馈与关于第一偏振编码的光的信息
[0013] ·所述双轨编码器包括至少一个移相器
[0015] ·所述双轨编码器包括至少一个耦合器
[0016] ·所述组合器包括基于光纤的偏振分束器
[0017] ·所述装置还包括衰减器，其被配置为将双轨编码的光、偏振编码的光和来自光源的光中的至少一个的强度减少到单光子状态(regime)。
[0018] 根据本发明的第二方面，提供一种装置，包括：至少一个解码器，其被配置为在至少两个不同基础中测量编码的光；以及至少一个处理核心，其被配置为获得关于光纤的补偿调整信息，并使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整编码的光和至少一个解码器的输出中的至少一个。
[0019] 第二方面的各个实施例可以包括根据以下项目符号列表的至少一个特征：
[0020] ·至少一个解码器包括至少一个光检测器或单光子检测器
[0021] ·所述装置还包括偏振旋转器组合器，其被配置为将进入的偏振编码的光转换为双轨编码的光，并且其中至少一个解码器被配置为测量双轨编码的光
[0022] ·至少一个解码器包括解码元件，例如1x2、2x2或4x4耦合器，允许每个检测器在给定基础的给定方向上执行测量
[0023] ·至少一个处理核心被配置为通过比较至少一个解码器的第一输出与从第二装置接收到的第一信息来获得补偿调整信息，所述第一信息特征化至少一个解码器测量以产生第一输出的光传输
[0024] ·所述补偿调整信息校正由光纤的双折射引起的扭曲
[0025] ·在双轨编码的光上执行调整
[0026] ·所述装置被配置为测量在至少两个不同基础中编码的偏振编码的光
[0027] 根据本发明的第三方面，提供一种方法，包括：对从光源接收到的光进行编码以产生双轨编码的光；将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；获得关于光纤的补偿调整信息；以及至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码。
[0028] 第三方面的各种实施例可以包括对应于来自结合第一方面列出的前述项目符号列表的特征的至少一个特征。
[0029] 根据本发明的第四方面，提供一种方法，包括：在至少两个不同基础中测量编码的光；获得关于光纤的补偿调整信息；以及使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整编码的光和至少一个解码器的输出中的至少一个。
[0030] 第四方面的各种实施例可以包括对应于来自结合第二方面列出的前述项目符号列表的特征的至少一个特征。
[0031] 根据本发明的第五方面，提供一种装置，包括：用于编码从光源接收的光以输出双轨编码的光的部件；用于将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光的部件；用于获得关于光纤的补偿调整信息的部件；以及用于至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码的部件。
[0032] 根据本发明的第六方面，提供一种装置，包括：用于在至少两个不同基础中测量编码的光的部件；用于获得关于光纤的补偿调整信息的部件；以及用于使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整编码的光和用于测量的至少一个部件的输出中的至少一个的部件。
[0033] 根据本发明的第七方面，提供一种存储有一组计算机可读指令的非瞬态计算机可读介质，当被至少一个处理器执行时，所述指令使得装置至少：对从光源接收到光进行编码以输出双轨编码的光；将所述双轨编码的光转换为偏振编码的光；获得关于光纤的补偿调整信息；以及至少部分地基于所述补偿调整信息控制编码。
[0034] 根据本发明的第八方面，提供一种存储有一组计算机可读指令的非瞬态计算机可读介质，当被至少一个处理器执行时，所述指令使得装置至少：在至少两个不同基础中测量编码的光；获得关于光纤的补偿调整信息；以及使得至少部分地基于所述补偿调整信息调整编码的光和至少一个解码器的输出中的至少一个。
[0035] 工业实用性
[0037] 图1A示出了能够支持本发明的至少一些实施例的示例性系统；
[0038] 图1B示出了图1A的双轨编码器120的示例性实施例；
[0039] 图1C示出了调制源的示例性实施例；
[0040] 图2A示出了预补偿双轨状态的生成，其中编码包括主双轨编码和补偿阶段；
[0041] 图2B示出了图2A的主双轨编码器220的示例性实施例；
[0042] 图2C示出了图2A的补偿阶段230的示例性实施例；
[0043] 图3示出了能够支持本发明的至少一些实施例的示例性装置；
[0044] 图4A-4D示出了能够将双轨编码的光转换为偏振编码的光的组合器的示例性实施例；
[0045] 图5示出了示例性发射器侧组件；
[0046] 图6示出了示例性接收器架构；
[0047] 图7示出了多个用户同时与聚集于同一中心内的多个接收器通信的网络；
[0048] 图8示出了在解复用之前进行偏振分离的示例性实施例；
[0049] 图9是示出根据本发明的至少一些实施例进行信令传输的信令图；
[0050] 图10是根据本发明的至少一些实施例的第一方法的第一流程图；以及[0051] 图11是根据本发明的至少一些实施例的第二方法的第二流程图。
具体实施方式
[0052] 用于通信的大部分光纤在光传播通过光纤期间不保存光的偏振。在对量子位进行双轨编码时对光纤中偏振旋转的补偿可以支持针对发射器和接收器两者在芯片上进行紧凑和完全集成的实现。
[0053] 可以在可能平行的两个波导上实现双轨编码。在两个波导中的光的相对相位和振幅上编码信息。可以由在两个波导的至少一个上的移相器以及由在两个波导之间的光耦合器来执行在相对相位和振幅上的操作。可以在同一芯片上整体制造光源、双轨编码器和偏振旋转器-组合器，或者通过例如异质/混合集成利用不同材料的基底制造。偏振旋转器-组合器可以相对于来自一个波导的光的偏振旋转来自另一波导的光的偏振，并在单个空间光模式中组合两个波导的光。一般而言，双轨编码因此可以包括修改在两个波导的至少一个中的光的振幅和相位中的至少一个。
[0054] 图1A示出了能够支持本发明的至少一些实施例的示例性系统。图1A 示出了发射器和接收器150，在两者之间布置有两个通信信道。发射器包括控制器110、双轨编码器120、组合器130和衰减器140。通信信道包括光纤145和连接151。
[0055] 控制器110可以例如包括现场可编程门阵列FPGA、微控制器、微处理器、处理器或其它控制器。控制器110被配置为经由连接112控制双轨编码器120的功能。连接112可以包括例如包括控制器110和双轨编码器 120的设备内的电导线。
[0056] 双轨编码器120可以例如包括包含至少一个或两个移相器的装置，所述移相器沿着两个轨道或路径中的一个或两个布置，所述轨道或路径至少部分地经由至少一个或两个移相器引导光，以对两个正交模式或基础中的任一个中的至少一个光子进行编码。在双轨编码器中的移相器可以沿着两个轨道中的一个或两个布置。例如，移相器可以包括电压控制的基于晶体的移相器。双轨编码器120可以包括光源，例如激光源，或者其可以被布置为从双轨编码器120外部的光源接收光。当双轨编码器120被布置为从双轨编码器的外部的光源接收光时，光源可以通过例如倒装芯片粘合或光线粘合耦合到双轨编码器120。当双轨编码器120包括光源时，光源可以在双轨编码器内部发送光，并且这种光可以在双轨编码器120中类似地被内部接收用于编码。双轨编码器120可以经由连接123输出光。
[0057] 组合器130可以包括偏振旋转器-组合器。组合器130例如可以包括基于光纤的偏振分束器或自由空间。组合器130可以被配置为从双轨编码器 120接收双轨编码的光，并将其转换为偏振编码的光。这种转换可以例如至少部分地基于偏振旋转-组合。组合器130可以经由连接134输出光。
[0058] 衰减器140可以例如包括可配置的衰减器，其被启用以减少进入衰减器的光的强度。详细地，衰减器140可以被启用以将光的脉冲减少到单光子状态。单光子状态可以包括：光的脉冲包括大约一个光子。单光子状态可以包括：光的脉冲包括大约一到五个光子。衰减器140可以包括检测器，其被配置为测量进入光脉冲或光束的强度，以帮助选择衰减因子来应用到进入的光束或脉冲。衰减器140例如可以由控制器110控制以将进入光衰减到单光子状态或到较高的强度。较高的强度在校准图1A的通信系统期间可以是可用的，例如以发送测试图案。虽然示出为布置在组合器130和光纤145之间，但衰减器140可以替代地布置在发射器的其它部分中。
[0059] 光纤145可以包括布置在或者能够被布置在发射器和接收器150之间的光纤。光纤145可以展现双折射，其中光纤中的缺陷、压力和/或光纤的弯曲可以使得经过光纤的光子的偏振进行旋转。光纤145的双折射可以是由于光纤的部分的温度可变而随着时间变化的，光纤可被物理地重新布置以改变其所布置在的弯曲，或者光纤中的物理缺陷的数量可能随着时间增加。光纤145的核心可以包括玻璃或透明塑料，其由具有较低折射率的材料层(例如，不同的玻璃或塑料)包围。光纤145还可以至少部分地引起经过其的光的衰减，和/经过其的光的退偏振。
[0060] 接收器150可以被启用以将从发射器经由光纤145接收到的偏振编码的光转换为双轨编码的光，并例如在两个不同的基础中检测双轨编码的光。替代地或另外，接收器150可以被配置为例如在检测测试图案时检测偏振编码的光。
[0061] 连接151使得接收器150能够将关于在接收器150处检测到光的信息发送给发射器，例如发送给控制器110。连接151例如可以包括光纤、电缆或至少一部分无线连接。在连接151上发生的通信可以被加密，例如如果需要，则发射器和接收器可以在连接151上执行diffie-hellman交换以建立保密。发射器可以请求来自接收器150的签名证书以确定接收器150的身份，和/或反之亦然。
[0062] 图1B示出了图1A的双轨编码器120的示例性实施例。图示的双轨编码器包括光源160，其可以包括激光，例如连续波或已调激光。来自光源 160的光经由箭头160A指向的1x2耦合器被引导到双轨。移相器170沿着上轨道布置。在移相器170之后，双轨在2x2耦合器
160B处结合，并再次分离，其中移相器180布置在上轨道中。虽然在图1B的例子中示出为在上轨道上，但是在其它实施例中，移相器可被应用到两个轨道上以相同的效果对经过双轨编码器120的光进行编码。移相器170和180可以被配置为将光编码为双轨编码的状态。
160B处结合，并再次分离，其中移相器180布置在上轨道中。虽然在图1B的例子中示出为在上轨道上，但是在其它实施例中，移相器可被应用到两个轨道上以相同的效果对经过双轨编码器120的光进行编码。移相器170和180可以被配置为将光编码为双轨编码的状态。
[0064] 在使用中，发射器可以例如在至少两个基础上将测试图案输出到接收器150。接收器150可以事先已知测试图案的特性，或者发射器可以替代地或另外地经由连接151或光纤145通知接收器150测试图案的特性。发射器可以使接收器150意识到测试图案通过光纤145进入，从而接收器150 可以准备好以检测进入的测试图案。
[0065] 接收器150检测测试图案，并例如经由连接151通知发射器包含于测试图案的检测中的测量结果。控制器110拥有在测试图案被输入到光纤145 之前描绘测试图案的特性的信息，并拥有在测试图案穿越光纤154之后描绘包含于测试图案的检测中的测量结果的特性的信息，由此可以启用控制器110来推出光纤154的双折射给予穿越其的光的偏振旋转的程度。可以基于推出的旋转程度，在控制器110中得出补偿调整信息以支持预补偿在光纤145中导致的旋转。
[0066] 控制器110之后可以基于补偿调整信息来控制双轨编码器120以预补偿在光纤145中导致的旋转，从而在接收器端部处离开光纤145的光与接收器150的基础对准。换句话说，控制器110可以控制双轨编码器120，以用补偿调整信息对具有期望通过光纤145通信、预扭曲或预补偿的信息的光进行编码。由双轨编码器120执行的编码因此是待通信信息和补偿调整信息的组合。
[0067] 使用在至少两个偏振中包括光的测试图案以及在至少两个不同基础中对其进行测量可以产生由光纤145引起的旋转的完整特性。可以在设定间隔重复系统的校准，以允许控制根据时间改变的光纤145的双折射。
[0068] 图2A示出了预补偿双轨状态的生成，其中编码包括主双轨编码和补偿阶段。在图2A的示例性系统中，光源210将光馈送到主双轨编码器220。光源210本质上可以类似于图1B的光源160，并经由连接212将光馈送到主双轨编码器220。主双轨编码器220在图2B中更详细地示出。主双轨编码器220经由连接223基于补偿调整信息将双轨编码的光馈送到补偿阶段 230，其中调整光以预补偿在光纤中导致的旋转，从而在接收器端部处离开光纤的光与接收器的基础对准。补偿阶段230在图2C中更详细地示出。在图2A的方案中，双轨编码还包括在补偿阶段230中执行的调整，图2A 的双轨编码器总地包括主双轨编码器220和补偿阶段230。
[0069] 图2B示出了图2A的主双轨编码器220的示例性实施例。在图示例子中，通过每个可由二级电压控制的三个移相器240、250和260执行编码。移相器250可以是移相器240的两倍长。如果适当地选择了移相器的长度，则二个电压级别对于三个移相器可以是相同的。这是为什么移相器250可以被配置为两倍长：在两个电压之间的差别被设置为引起在相位中的差pi，同时对于移相器240和260的该相位差是pi/2。在图2B中，箭头240A表示1x2耦合器，并且箭头240B表示2x2耦合器。
[0070] 240 250 260
x+ 0 0 0 |0>+|1>
x- 0 1 0 |0>-|1>
y+ 0 0 1 |0>+i|1>
y- 0 1 1 |0>-i|1>
z+ 1 0 0/1 |0>
z- 1 1 0/1 |1>
x+ 0 0 0 |0>+|1>
x- 0 1 0 |0>-|1>
y+ 0 0 1 |0>+i|1>
y- 0 1 1 |0>-i|1>
z+ 1 0 0/1 |0>
z- 1 1 0/1 |1>
[0071] 表1：在二级电压编码中，0和1表示在移相器240、250和260中的低电压和高电压以生成六个状态。
[0072] 图2C示出了图2A的补偿阶段230的示例性实施例。移相器270、280 和290可以由控制器配置为在将光发射到光纤之前预补偿在光纤中引起的任意偏振旋转，从而在接收器端部处离开光纤的光与接收器的基础对准。图示的补偿阶段可以被配置为接收主双轨编码器220的输出作为图的左手侧的输入。
[0073] 与图1A-1C的实施例相比，图2A-2C的实施例受益于具有能够适于较慢改变的补偿阶段，而在图1A-1C中，移相器可能需要在较快的时间规模受到控制。图2A-2C的编码器可以使用两电压配置进行操作，如上文所述。
[0074] 图3示出了能够支持本发明的至少一些实施例的示例性装置。图示了设备300，其例如可以包括发射器设备，例如图1A或图2A的发射器。包含于设备300内的是处理器310，其可以例如包括单核或多核处理器，其中单核处理器包括一个处理核心，并且多核处理器包括多于一个处理核心。处理器310可以包括例如高通骁龙(Qualcomm Snapdragon)800处理器。处理器310可以包括多于一个处理器。例如，处理核心可以包括由Intel 公司制造的Cortex-A8处理核心或由超微(Advanced Micro Devices)公司生产的Birsbane处理核心。处理器310可以包括至少一个专用集成电路 (ASIC)。处理器310可以包括至少一个现场可编程门阵列(FPGA)。处理器310可以是用于执行设备300内的方法步骤的部件。处理器310可以是用于执行设备300内的方法步骤的部件。处理器310可以至少部分地由计算机指令配置以执行动作。
[0075] 设备300可以包括存储器320。存储器320可以包括随机存取存储器和/或永久存储器。存储器320可以包括至少一个RAM芯片。例如，存储器320可以包括磁、光和/或全息存储器。存储器320可以至少部分地对处理器310可访问。存储器320可以是用于存储信息的部件。存储器320可以包括处理器310被配置为执行的计算机指令。当被配置为使得处理器310 执行特定动作的计算机指令存储于存储器320时，以及设备300整体被配置为利用来自存储器320的计算机指令在处理器310的引导下运行时，处理器310和/或其至少一个处理核心可以被认为是被配置为执行所述特定动作。
[0076] 设备300可以包括发送器330。设备300可以包括接收器340。发送器 330和接收器340可以被配置为根据至少一个蜂窝或非蜂窝标准分别发送和接收信息。发送器330可以包括多于一个发送器。接收器340可以包括多于一个接收器。发送器330和/或接收器340可以被配置为通过光纤进行操作。
[0077] 设备300可以包括近场通信(NFC)收发器350。NFC收发器350可以支持至少一个NFC技术，例如NFC、蓝牙、Wibree或类似技术。
[0079] 处理器310可以配置有发送器，其被布置为从处理器310经由设备300 内部的电导线输出信息到设备300内包含的其它设备。这种发送器可以包括串行总线发送器，其被布置为例如经由至少一个电导线输出信息到存储器320，以用于存储于其中。替代串行总线，发送器可以包括并行总线发送器。类似地，处理器310可以包括接收器，其被布置为在处理器310中经由设备300内的电导线从设备300内包含的其它设备接收信息。这种接收器可以包括串行总线接收器，其例如被布置为经由至少一个电导线从接收器340接收信息，以用于在处理器310中进行处理。替代串行总线，接收器可以包括并行总线接收器。
[0080] 处理器310、存储器320、发送器330、接收器340和/或UI 360可以以多种不同方式通过设备300内的电导线相互连接。例如，每个上述设备可以单独地连接到设备300内的主总线，以允许设备交换信息。然而，如本领域技术人员可理解的，这只是一个例子，并且取决于实施例，可以选择相互连接至少两个上述设备的各种方式而不背离本发明的范围。
[0081] 图4A-4D示出了能够将双轨编码光转换为偏振编码的光的组合器的示例性实施例。图4A示出了片上偏振旋转器组合器。该设备中包括偏振旋转器410、双折射波导420和耦合器430。耦合器430可以包括1x2或2x2 耦合器。
[0082] 图4B示出了片上偏振旋转器组合器的第二例子。示出了偏振旋转器 440、双折射波导450和耦合器460。耦合器460可以包括1x2或2x2耦合器。
[0084] 图5示出了示例性发射器侧组件。附图标记160、190、240、250、260、 270、280、290、410和420表示如图1A-1C、2A-2C和4A-4D中类似附图标记的类似结构。总体上，阶段510包括振幅调制阶段，阶段520包括主编码阶段，阶段530包括预补偿阶段，以及阶段540包括偏振旋转组合阶段。
[0085] 图6示出了示例性接收器架构。在例子中，光从左边进入接收器，并由偏振分束器-旋转器610从偏振调制转换为双轨编码形式。90度混合620 将光馈送到四个检测器630，同时两个检测器630直接从偏振分束器-旋转器610接收光。即使偏振旋转-组合在一些平台上是可能的，它们也可能是困难的且可能需要额外的制造步骤。这就是为何在图6所示的实现方式中，在片上执行双轨准备，并且通过光纤耦合的偏振分束器执行到偏振状态的转换。两个输入光纤可以是偏振维持的，并且输出光纤可以是标准的单模式，而不是偏振维持的光纤，以便减少双折射。
[0086] 接收器部分可以被配置为在至少两个不同的基础中执行量子位的测量。这可以通过使用自由空间或光纤耦合元件来测量偏振状态而实现，但是片上集成提供维度和稳定性方面的优点。对量子位的双轨操纵可以在芯片上执行。偏振状态可以被转换为双轨状态，并在至少两个不同基础中进行测量。图6示出了使用反向偏振旋转器组合器的接收器(如图4A-4D所示)以将偏振状态转换为双轨状态以及在三个无偏基础上执行测量的设计。为此，在转换为双轨并用两个检测器测量之后，就从双轨抽取光的部分。这构成第一测量基础。通过使用光90度混合620获得两个其它无偏基础。在三个无偏基础中测量量子位的优点在于这是一种用于特征化光纤引起的偏振旋转以及例如可以通过散布光纤而引起退偏振的鲁棒的方式。用于实现该接收器的便利技术可以例如是绝缘体上硅。例如，可以通过图4所示的面外耦合器执行偏振编码到双轨编码的转换。90度混合620可以通过4x4 多模干涉仪(MMI)来实现。检测器可以通过例如在硅波导上布置超导纳米线单光子检测器来实现。
[0087] 在光纤内的传输可以对量子位具有三种类型的效果：丢失、旋转和退偏振。可以如在图6的情况下从在三个不同的基础中的测量提取这三种效果。
[0088] 纯量子位状态将在传输之后的稍微混合状态结束。这就是为什么使用密度矩阵形式体系来计算量子位状态如何演化是方便的。
[0089] ·在量子密钥分配(QKD)的一些实施例中不能补偿丢失，因为发射的光子的平均数量可能受限于安全要求。通过标准化结果将因此在计算中不考虑它们。
[0091]
[0092] 为了有助于计算我们需要应用于补偿光纤旋转的相移，我们选择以与补偿酉元相同的形式表达光纤酉元：
[0093]
[0094] 其中σ是泡利(Pauli)矩阵，且α、β和γ是光纤引起的未知的旋转角度。这些是我们需要从测量取得的值，以便执行预补偿。
[0095] 可以将在密度矩阵表示中的不同输入状态上的酉元动作写作：
[0096] ρn＝1/2(1+n·σ)
[0097] 其中n是在布洛赫(Bloch)球面上的对应方向中的单位向量，且σ是泡利矩阵的向量。尤其是，我们想要考虑由单位向量 给出的六个方向。
[0098] ·在量子位上的退偏振的效果可以写作：
[0099]
[0100] 其中我们引入了退偏振通道，由超算符给出：
[0101]
[0102] 并且参数p给出偏振。
[0103] 接着，通过以下给出测量在方向m中的密度矩阵ρf的检测器中的计数的标准化数目：
[0104] Nm＝Tr(ρfρm)
[0105] 在一个实现方式中，发射器能够从三个无偏基础产生六个状态，并且接收器在三个无偏基础中执行测量。对于输入状态的六个选择以及测量方向的六个选择，我们获得(标准化的)6x6测量矩阵。
[0106]
[0107] 根据这些测量，计算相关因子矩阵C更为方便，其中矩阵M的每个4x4 子块由单个数字替代。
[0108]
[0109] 我们可以看到通过参数p量化的退偏振的效果可以容易地从旋转项分离，并且可以提取三个旋转角度α、β和γ的值。
[0110] 为了描述在光纤中发生的旋转，我们选择映射在补偿阶段执行的相移上的未知参数。因此，我们可以根据测量α、β和γ(在φ1、φ2和φ3被设置为零的同时执行)直接推出需要应用于移相器的必需的校正φ1、φ2和φ3。φ1、φ2和φ3应该分别等于-α、-β和-γ。该第一调整应该获得几乎与接收器固定测量基础对准的接收到的量子位。
[0111] 此时，相关因子矩阵的对角线元素应该接近1，并且所有其它元素应该接近0。可以在传输密钥期间以连续的方式执行其它调整。可以以微分方式计算这些调整。作为相移的函数由预补偿阶段执行的旋转已知为：
[0112] Uc＝f(φ)withφ＝(φ1,φ2,φ3)
[0113] 由光纤引起的旋转也在第一近似中已知：Uf～Uc。随后可以计算由测量上的相移的小变化引起的微分变化。基础失调的最准确的指示符是相关因子矩阵的6个非对角线元素，因为它们接近0。我们称C'为由6个值组成的向量。我们可以计算矩阵F，使得C'＝F(φ)。F的雅克比矩阵量化由相移的调整引起的相关因子的变化。为了计算所要求的调整，我们可以挑选 3个最重要的相关因子，以便具有方形雅克比矩阵。可以将所要求的调整设置为：
[0114] dφ＝-J-1C’
[0115] 本文描述的基于偏振的QKD至少在一些实施例中还可以在多路复用网络中使用，其中来自若干发射器和/或接收器的传输使用相同的光纤。在该情况下，每个发射器必须拥有具有不同波长λ的源。为了具有敏捷的网络，可以选择每个源可以改变其波长来使用可用信道。波长多路复用器必须是偏振独立的。还可以使用时间多路复用和路由。
[0116] 图7示出了多个用户同时与聚集于同一中心内的多个接收器通信的网络。这在基于可信节点的网络类型中以及在检测器需要冷却时可能是方便的。然后可以由更多数量的接收器共享保护可信节点和冷却的成本。在该附图中，信号在被注入到光子芯片之前用偏振独立的解复用器对信号进行解复用。在该情况下，每个接收器可以类似于图6中的接收器。对于一些技术，如虚线所建议的，也可以在芯片上集成偏振独立解复用。
[0117] 在图7中，附图标记710A表示发射器1a，710B表示发射器2a，710C 表示发射器3a，710D表示发射器4a，以及710E表示发射器5a。附图标记720A表示发射器1b，720B表示发射器
2b，720C表示发射器3b，720D 表示发射器4b，以及720E表示发射器5b。附图标记730表示的箭头指向发生偏振独立波长多路复用和解复用的部分。740表示中心接收器，并且 750表示具有对应于发射器的多个接收器(从1a到5a以及从1b到5b) 的光子芯片。
2b，720C表示发射器3b，720D 表示发射器4b，以及720E表示发射器5b。附图标记730表示的箭头指向发生偏振独立波长多路复用和解复用的部分。740表示中心接收器，并且 750表示具有对应于发射器的多个接收器(从1a到5a以及从1b到5b) 的光子芯片。
[0118] 图8示出了在解复用之前进行偏振分离的示例性实施例。中心接收器 810包括光子芯片820。在光子芯片上布置有接收器R1a…R5a和 R1b…R5b，如图7所示。附图标记830表示排列的波导光栅(AWG)，以及附图标记840表示面外偏振分离器。接收器R1b的缩放示出了接收器具有与图6的接收器类似的结构，附图标记850表示90度混合。在根据图 8所示的实施例中，解复用不需要是偏振独立的。
[0119] 虽然以上结合发射器进行了讨论，但是可以在接收器侧替代地或额外地实现对光纤中偏振旋转的补偿。在这些实施例中，控制器110可以包含于接收端，并且接收器可以被配置为基于通过沿着上述线路的测试图案导出的补偿调整信息，校正在光纤中引起的旋转。在接收器端中，可以在双轨编码光上执行补偿，如同当补偿发生在发射器端时那样进行。
[0120] 图9是示出根据本发明的至少一些实施例进行信令传输的信令图。垂直轴对应于发射器900E和接收器900R。发射器900E例如可以对应于类似于图1A或图2A所示的发射器，并且接收器900R可以例如对应于图1A 的接收器150。
[0121] 在阶段910中，发射器900E和接收器900R交换信息，其可以包括例如关于测试图案的特性的信息。阶段910可以包括对发射器900E和接收器900R中的至少一个的认证。阶段910是可选的，因为不是根据图9的所有实施例都包括阶段910。例如，当接收器900R已经知道测试图案的特性时，不需要单独告知它们。例如，测试图案可以在制造接收器900R时已知的工业规范中进行规定。
[0122] 在阶段920中，发射器900E通过光纤900F将测试图案发送到接收器 900R。光纤900F可以包括光导纤维，其结构如上所述。接收器900R检测测试图案并测量其特性，例如，在至少两个基础中。测试图案可以包括在至少两个偏振中的光。
[0123] 在阶段930中，接收器900R通知发射器900E对测试图案的测量的结果，发射器900E可以使用该结果以随后在双轨编码阶段预补偿在光纤 900F中引起的旋转。阶段930的通信可以穿过光纤900F或布置在发射器 900E和接收器900R之间的另一连接。
[0124] 在阶段940中，发射器900E经由光纤900F发送信息到接收器900R。在阶段940中发送的信息可以包括用于在发射器900E和接收器900R之间建立共享秘密(例如，秘钥)的信息。阶段940的传输可以至少部分地基于阶段903中通信的信息进行预补偿。
[0125] 可以按设定间隔重复测试图案的传输，以允许动态适应光纤900F的时变双折射。
[0126] 图10是根据本发明的至少一些实施例的第一方法的第一流程图。图示第一方法的阶段可以例如在发射器中执行。阶段1010包括将从光源接收到的光进行编码以产生双轨编码的光。阶段1020包括将双轨编码的光转换为偏振编码的光。阶段1030包括获得关于光纤的补偿调整信息。最后，阶段 1040包括至少部分地基于补偿调整信息控制编码。获得关于光纤的补偿调整信息可以包括导出关于光纤的补偿调整信息。
[0127] 图11是根据本发明的至少一些实施例的第二方法的第二流程图。图示第一方法的阶段例如可以在接收器中执行。可选阶段1110包括将进入的偏振编码的光转换为双轨编码光。阶段1120包括在至少两个不同基础中测量编码的光。在包括可选阶段1110的实施例中，所测量的编码的光是双轨编码的光。阶段1130包括获得关于光纤的补偿调整信息。最后，阶段1140 包括至少部分地基于补偿调整信息调整编码光和至少一个检测器的输出中的至少一个。获得关于光纤的补偿调整信息可以包括导出关于光纤的补偿调整信息。
[0128] 在双轨编码阶段而不是偏振编码阶段中对在光纤中引起的旋转进行预补偿的优点在于：针对发射器和接收器中的至少一个在芯片上的紧凑、集成的实现是可能的。在偏振编码阶段中的真实有效补偿通常要求使用光纤应变或庞大的自由空间控制接收器中的光的偏振。
[0129] 应该理解的是，所公开的本发明的实施例不限于本文公开的特定结构、过程步骤或材料，而是延伸到相关领域的普通技术人员可识别出的等价物。还应该理解的是，本文采用的术语只用于描述特定实施例，而不意图进行限制。
[0130] 遍及该说明书提及的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在该说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代同一实施例。
[0131] 如本文所使用的，为了方便可以在共同列表中呈现多个项目、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应该被解释为列表的每个成员被单独识别为单独和唯一的成员。因此，基于在共同组中的表达而不表示相反，这种列表中没有单独的成员应该被唯一地解释为同一列表的任意其它成员的实际等价物。另外，在此可以与其各种组件的替代一起参考本发明的各种实施例和例子。应该理解的是，这种实施例、例子和替代不应该解释为彼此的实际等价物，而是被认为是本发明的单独和自主的表示。
[0132] 此外，可以在一个或多个实施例中以任意适当方式组合所描述的特征、结构或特性。在后续描述中，提供许多特定细节，例如，长度、宽度、形状等的例子，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到本发明可以在没有一个或多个特定细节的情况下实践，或者以其它方法、组件、材料等实现。在其它实例中，并不示出或详细描述已知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的方面。
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